武汉理工大学非对称平板波导模式计算

1、课程设计任务书学生： 专业班级：电子0903班指导教师：娄 平工作单位：信息工程学院题目：非对称平板波导的模式计算初始条件：计算机、beamprop软件（或Fullwave软件）要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习 beamprop软件（或 Fullwave 软件）。（2）设计非对称平板波导的模式计算（3）对非对称平板波导的模式计算 进行beamprop软件仿真工作。3、查阅至少5篇参考文献。按理工大学课程设计工作规要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规。时间安排：2012625做课设具

2、体实施安排和课设报告格式要求说明。2012625-6.28学习beamprop软件（或Fullwave软件），查阅相关资料，复 习所设计容的基本理论知识。对非对称平板波导的模式计算进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名：系主任（或责任教师）签名:目录目录2摘要1Abstract 21. 绪论 32. 设计容及要求 4.2.1设计容 4.2.2设计要求 4.3. 非对称平板光波导 5.3.1波导简介 5.3.2 非对称光波导的基本结构与模式 6.3.3 非对称平板光波导的计算 7.4Rsoft CAD 软件介绍 9.4.1 Rsoft CAD Layout

3、 介绍 9.4.2 BeamPROP 介绍1.05.非对称波导仿真 1.1.5.1 非对称平板波导的绘制 1.15.2 仿真的结果 1.4.5.2.1 m=0 时仿真结果 1.45.2.2 m=1 的仿真结果 1.55.2.3 m=2 的仿真结果 1.66 心得体会 1.7.参考文献 1.8.摘要光束在介质中传输时， 由于介质的吸收和散射而引起损耗， 由于绕射而引起 发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度不断地衰减。 因此，有必要设计制 作某种器件，它能够引导光束的传播， 从而使光束的能量在横的方向上受到限制， 并使损耗和噪声降到最小， 这种器件通常称为光波导， 简称波导。 分为对称与不 对

4、称，主要去别在于两边介质的折射率相同或者不相同。本文介绍的是通过Beamprop软件进行非对称平板波导的仿真，Beamprop是一款 实用性非常强的光学应用软件，本文包含了Beamprop软件的介绍、非对称平板波导的模式计算原理以及进行模式计算及仿真。关键词：非对称平板光波导；Beamprop；模式仿真Abstractthe Beam in media transmission, as the medium absorption and scattering and cause loss, because the diffraction and cause divergence, the si

5、tuation will lead to the strength of the center of beam constantly attenuation. Therefore, it is necessary to design a device, it can lead to the spread of the beam, so that the energy of the beam in horizontal direction is restricted, and make the loss and to minimize noise, the devices are usually

6、 called optical waveguide, hereinafter referred to as the waveguide. Divided into symmetrical and asymmetric, mainly on both sides of the medium is to don't refractive index is the same or different.This paper introduce is through the Beamprop software asymmetric planar wave-guide simulation, Be

7、amprop is a practical very strong optical applications software, this article contains Beamprop software is introduced, asymmetric planar wave-guide model calculation principle and model calculation and simulation.Keywords : asymmetric plate wa veguide; Beamprop; Model simulation1. 绪论光束在介质中传输时， 由于介质

8、的吸收和散射而引起损耗， 由于绕射而引起 发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度不断地衰减。 因此，有必要设计制 作某种器件，它能够引导光束的传播， 从而使光束的能量在横的方向上受到限制， 并使损耗和噪声降到最小， 这种器件通常称为光波导， 简称波导。 结构最简单的 波导是由三层均匀介质组成的， 中间的介质层称为波导层或芯层， 芯两侧的介质 层称为包层。 芯层的介电常数比芯两侧包层的介电常数稍高， 使得光束能够集中 在芯层中传输， 因而起到导波的作用。 这种波导的介电常数分布是陡变的， 也称 为阶梯变化的， 常称这种波导为平板波导。 最简单的平板型光波导是由沉积在衬 底上的一层均匀薄膜构成，

9、因而又叫做薄膜波导。对光波导特性的分析， 应用两种理论， 即射线光学理论和波动光学理论。 射线 光学理论的优点是对平板波导的分析过程简单直观， 对某些物理概念能给出直观 的物理意义， 容易理解。缺点是对于结构复杂的多层波导射线光学理论不便于应 用，或只能得出粗糙的结果。一般而言，若想全面、正确地分析各种结构的光波 导的模式特性，还必须采用波动理论。2. 设计容及要求2.1 设计容根据所学知识， 设计一个非对称平板光波导， 利用 beamprop 软件对其进行仿 真分析，讨论非对称平板光波导模式计算。2.2 设计要求(1)学习beamprop软件。2)非对称平板光波导的理论学习。(3)对设计的非

10、对称平板光波导进行 beamprop软件仿真工作4)完成课程设计报告(应包含原理分析、仿真图及设计总结)3. 非对称平板光波导3.1 波导简介波导是一种用来约束或引导电磁波的结构。通常，波导专指各种形状的空心 金属波导管和表面波波导， 前者将被传输的电磁波完全限制在金属管， 又称封闭 波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围， 又称开波导。 当无线电波频 率提高到 3000 兆赫至 300 吉赫的厘米波波段和毫米波波段时， 同轴线的使用受 到限制而采用金属波导管或其他导波装置。 波导管的优点是导体损耗和介质损耗 小；功率容量大；没有辐射损耗；结构简单，易于制造。波导管的电磁场可由麦 克斯韦

11、方程组结合波导的边界条件求解， 与普通传输线不同， 波导管里不能传输 TEM 模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速 度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在 。其传播模式为表 面波。在毫米波与亚毫米波波段， 因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造 困难。这时使用表面波波导，除具有良好传输性外，主要优点是结构简单，制作 容易，可具有集成电路需要的平面结构。表面波波导的主要形式有：介质线、介 质镜像线、H-波导和镜像凹波导。波导（waveguide）用来引导电磁波的结构。因此，在广义的定义下，波导不仅 是指空金属管，同时也包括其他波导形式如脊形波导、椭圆波

12、导、介质波导等； 还包括双导线、同轴线、带状线、微带和镜像线、单根表面波传输线等（下图） 。 如不附加说明，一般说到波导就是指空心金属管。根据波导横截面的形状不同， 可分为矩形波导、 圆波导等。 尽管已存在很多不同波导形式， 且新的形式还不断 出现，但直到目前，在实际应用中矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导形式。 电磁波在波导中的传播受到波导壁的限制和反射。 波导管壁的导电率很高 （一般 用铜、铝等金属制成，有时壁镀有银或金） ，通常可假定波导壁是理想导体，波 导管的电磁场分布可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件来求解。 波导管不能 传输 TEM 波，电磁波在波导中的传播存在着严重的色散现象

13、。波导中可能存在 无限多种电磁场的结构或分布，每一种电磁场的分布称为一种波型（模式） ，每一种波型都有对应的截止波长和不同的相速。 横截面均匀的空心波导称为均匀波 导，均匀波导中电磁波的波型可分为电波（TM模）和磁波（TE模）两大类3.2非对称光波导的基本结构与模式最简单的光波导是平板光波导，如图1所示。令光波导高度为乃，传播方向 为z方向，在y方向由全反射限制。这代表着波以波矢量 k （二n 1ko）在光波导 中传播，我们通过示意图1进一步解释这个问题。图1波传播方向与y,z方向传播常数的关系在这里我们将波矢量分解为沿y和z两个方向的分量：心=%心血耳<4-21）ky =050,（4-

14、22）定义y方向的传播常数后，我们就可以想像在y方向传播的一束波。因为理 论上波在两个界面被反射，所以会在y方向形成驻波。这样我们就可以求出波往 返一次的总相移。对于厚度为勿的光波导来说，往返一次所经过的路程为2h,用式（4-17），相移表示为% = 2kyh = 2心 加a呜（4-23）从式（4-18）到式（4-20）可以看出，相位的变化是在光波导的上、下边界反射引起的。我们分别用仉和钙表示。这样，总相移就可以写为G =2际讪 cosq - 观-©（4-24）为了能让波在光波导中连续地传播，总相移应该是2n的整数倍；所以：2心珥处osq 仇02mn（4-25ai这里，m是整数。根据

15、式（4-9）和式（4-10）,将仉和俄用相应的参数替 代，化简成一个可以用B来表示的方程。注意，因为m是整数，对于每一个 m值，式（4-25a）可以产生一个对应的 角B。对于每一种偏振来说，y方向和z方向都会产生一个传播常数。这表明， 光在光波导中并不能够以任意角度传播，而只能以一系列离散角度传播，每一个 允许的角度都是一个传播模式，模式数由昭确定。模式由偏振态和模式数来表征。 举个例子，第一个TE模式，即基模，表示为TEo。更高阶模用相应的昭来表示。 对于朔还有一个限制，即光波在上、下界面必须满足全反射的条件。当传输角B 1小于临界角的时候，对应给定光波导结构所能传播的最大模式数。3.3非对

16、称平板光波导的计算非对称平板光波导的传输如图2所示。图2n2工n：我们可以用与对称平板光波导类似的方法对其进行求解，只是上、下界面 的边界条件不同。这时咒模的特征值方程为+ ian_l-（nJ坷丫COS0 COS0JB-,ajton./iCDS -用皿=tan对于给定的昭值，可以求出光传播的角度。然而，对于详0,式（4-30）并不总是有解。因为右边平方根的表达式有可能是负值。这是因为光波导的临界 角应该以两界面中较大的临界角为准。也就是说，波在两个界面发生全反射时， 光波导的模角必须大于两个临界角。然而，如果光波导的厚度尼较小或光波导芯 层和包层的折射率差较小的话，模角可能无法满足大于两个界面

17、的临界角的条 件。4. Rsoft CAD软件介绍BPM计算万法也有多种形式，其中有限差分波束传播法（FD-BPM）得到 了最广泛的应用，FD BPM可以实现很准确的设计计算，同时可以允许较大 的计算步进（step）。由Hadley发明的透明边界条件方法和基于 Pade近似算符的 大角度计算方法使得FD-BPM的功能更加强大。我们使用的软件主要基于这种 方法。BPM在Rsoft CAD Layout环境中运行，正如大家所看到的这一环境下可以 运行多个组件，我们使用的只是BPM o为了很好地使用该软件大家需要阅读 Rsoft CAD Layout和BeamPROP的使用手册。4.1 Rsoft

18、CAD Layout 介绍-! MlFJt EdkQitcrs 阴 0釣如呻 SJonftw 曲口iHpIf B：CAD LaF图3 Rsoft CAD软件界面界面如图3所示，界面中有菜单和快捷工具栏，所有的操作都通过菜单和工 具栏来完成。设计开始我们需首先创建一个文件，在文件界面中可以绘制波导。 波导主要有2D和3D两类，2D波导相当于只有两维坐标的约束，在 丫方向无 限延伸。3D波导又分为4种：光纤（fiber），通道channel,扩散diffused，脊波 导rib，多层波导 multilayer。波导的宽度和高度也可以随着 Z 坐标变化，这样波导看上去就是锥形了， 即起点和终点的宽度

19、(或高度)不一样。本软件把这种情形称为Taper,相应有Width Taper，Height Taper。如果使用了这两个 Taper，波导的起点和终点的宽度(或高度)必须人为设置成不一样，设置项为starti ng vertex和en di ng vertex。(在 选定的波导上点击鼠标右键)当然 Z坐标的变化也可以采用Taper，这时起点和 终点的Z坐标不一样，波导看上去可能就弯曲了，这一项称为Position Tape。另外，折射率随Z坐标也可以变化，称为Index Taper，设置相似。需要说明的 是，Height Tap er和In dex Taper在 CAD Layout中不能直

20、接看出，通过显示折射 率图形可以观察 Index Taper。4.2 BeamPROP 介绍BeamPROP工作在CAD Layout界面中，采用BPM计算方法， 前面已经介绍了BPM计算方法。这里介绍几个方面的容：路径(Pathway)、监视器(monitor)、输入场(launch field)、仿真(simulation)。在左边工具条上可以找到 相应的按钮。Pathway是设计者需要观察光波传输情况的一条路径,Pathway的定义不改 变波导的结构。通常一条路径应该包括广场输入部分的波导 ,你希望对光场进行 观察的位置的波形 ,可以定义多条路径 ,软件自动编号。监视器(monitor)

21、与Pathway相联系，观察指定Pathway中(或输出端)的光场，就相当于实验中的示波器，可以定义多个monitor,软件自动编号，输入场(launch field) 是仿真时必不可少的 ,是计算的初始条件。5. 非对称波导仿真5.1非对称平板波导的绘制进入RSoft CAD-Layout，点击新建文件，选择所绘制的非对称光波导的基本参数，选择情况如图4.1所示，中央芯区折射率为1.4+2.仁3.5。所绘制的非对称平板波导的可变参量的设置如图 4所示。Global Settings WindowGLOBAL SETTINGSWaveguide Model Dmansion: 20 (，

22、9; 3D BPM Options'Radial Calculation:Effective Index Calculation:Polarization.Simulation Tool:斥 BeamPROP/BPMFdMW口FDTDC GraringMOD C BndSOLVEC DiHnctMDDSector Mede: Norie ' Semi (* FullBidkediond Ckulation；TE> TM FDTD Options:Disperiior/NodinerilAnisrtfopic:3D StnJihi 旧 Type：Ccrer Indew:Sl

23、ab Index;Slab Height:FdhT皀劭art 一|Cancel设定非对称平板波导的可变参数，设定值如图 5所示:绘制的非对称平板波导的光路图如图 6所示:再设定好不同芯层对应的参数（折射率），具体参数为：基膜1.4+2.仁3.5 , 两边分别为1.4和1.4+0.8=1.8，如图7所示Transverse Index Profile at Z=0Trsnaverse Direction ®m)图75.2仿真的结果做好准备就可以进行仿真了，本次设计进行的是非对称平板波导模式计算的仿 真，具体仿真图如下所示。521m=0时仿真结果Monitor vslue ea.u.Co

24、nwted TrsMv&raQ f*1:01=0.0=3 4&9296D一禺上治口 UFUJ云帚5"_器£ 亡IXE<sTraravene Dliecton (iiin)PtopDHtion Diiaclioiik (uiin5.2.2 m=1的仿真结果Compufted Transyrw 甘俺 Prolsbe (m=0.nrfr=5.49"l SB 1 I(|II I1|iiiiIIr | r I ! 1 IfI I | | I I F|fIri | i TT|T-sc-10010TrjntvBfSC t)ire<iK>n ii

25、irrnCOMQ JM -IdX (lJiiiIQ5.2.3 m=2的仿真结果e PaffchwBij?,.MmrtcrI mpnlj-dujly QP03Hli-la口圧111! i«ii 11111 u 1111111 r1.00.50.0Menitor Value (a u.)SniHJt前Mode Rrflfil* nn*O ncr«3 49-1)3-20-10C10Tnnivru Direction (nmroeaqwaxbHE 一3无5-|丙匸一20-00IO5 1000-30xio6 心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现,提出 ,分析和解决实际问

26、题 ,锻 炼实践能力的重要环节 ,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 .随着科学 技术发展的日新日异，波导已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生 活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握 rsoft 的开发技 术是十分重要的。回顾起此次光电子课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在 整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西， 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识， 而且学到了很多在书本上所没有学到过 的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的， 只有理论 知识是远远不够的， 只有把所学的理论知识与实践相结合起来， 从理论中得出结 论，才能真正为社会服务， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 在 设计的过程中遇到问题， 可以说得是困难重重， 这毕竟第一次做的， 难免会遇到 过各种各样的问题， 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处， 对以前所学过 的知识理解得不够深刻， 掌握得不够牢固， 通过这次课程设计之后， 一定把以前 所学过的知识重新温故。这次课程设计终于顺利完成了， 在设计中遇到了很多问题， 最后在我的努力 以及同学的帮助下， 终于游逆